等离子体水处理技术

紫外光分解作用
? 紫外光作用原理是有毒有害物的分子吸收光子后进入激发 态，激发态分子返回基态时吸收的能量使其分子键断裂， 生成相应的游离基或离子。这些游离基或离子易与溶解氧 或水分子反应生成新的物质而被除去。
? 紫外光和臭氧联合使用时，臭氧在紫外光的照射下与 H2O 反应生成了 ·OH，无论是在氧化能力还是在氧化速度上， 都远远超过紫外光分解或臭氧单独使用所达到的效果。
? ·OH容易攻击高电子云密度的有机分子部位，加在有机分 子碳双键上，脱去有机分子上的一个氢，形成R·自由基， R·自由基又被水中溶解氧进一步氧化成ROO·自由基， ROO·自由基再发生一系列的反应，使水中污染物氧化和 分解，最终降解产物为二氧化碳和水。
RH ·OH R· O2 ROO·
CO2+H2O
?石英绝缘罩主要起着封闭反应区和绝 缘的作用。 ?当接通两电极间电压，两电极间最窄 处通入的气体被击穿，形成电弧，在 从喷嘴喷出的高速气流推动下，电弧 向下移动，形成滑动电弧柱。 ?这种反应器结构简单，成本低廉，因 此应用最广。
滑动弧放电
? 滑动弧放电的主要特点是: ? 兼有热等离子体和非热等离子体的特性； ? 滑动弧放电装置和电源结构简单，价格低廉，操作和维护
? 工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、 冶炼、加热、有害物处理；
? 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微 波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹。
人造等离子体
霓 虹 灯 管
等
等
离
离
子
子
电
体 电
弧 焊 接
弧Biblioteka Baidu
熔
炼
人造等离子体
等离子体增强化学气相沉积制备 的用于太阳能电池的非晶硅薄膜
等离子体水处理技术
种珊 2010.4.9
主要内容
?等离子体简介 ?等离子体氧化机理 ?水处理等离子体类型 ?研究现状 ?发展趋势
什么是等离子体
等离子体是物质第四态，是由大量的自由电子和离 子组成、且在整体上表现为电中性的电离气体。
固体 冰
液体 水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C
介质阻挡放电
? 有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。 ? 介质阻挡放电中使用的绝缘层(阻挡介质)的典型材料主要
包括玻璃、石英、陶瓷、薄搪瓷或聚合物。
?优点： ?电极不易腐蚀（电极不直接与放电气体 发生接触）； ?具有大规模工业应用的可能性（具有电 子密度高和在常压下运行的特点）； ?可在大气压强下工作，而且可以防止在 放电空间形成局部火花和弧光放电（放 电表现为很均匀、漫散和稳定)。
高压脉冲等离子体水处理设备
?高压脉冲电源用于产生等离 子体； ?反应器则利用产生的活性物 质以及伴随产生的热、光、 波等效应来净化水质。
南宁超等环保公司设计的等离子体水处理的反应装置图
辉光放电
? 利用外加电场作用，在特定的电化学反应器内，当两电极 间的电压足够高时，则产生明暗不一的区域，自由电子在 电场作用下加速。
等离子体氧化机理
?高能电子作用 ?臭氧氧化作用 ?紫外光分解作用
等离子体氧化机理
? 低温等离子体废水处理技术是一种兼具高能电子辐射、臭 氧氧化、紫外光分解等三种作用于一体的废水处理技术。
? 三种方法协同作用时，处理效果优于各方法单独作用。
等离子体化学反应过程
高能电子作用
首先是液下水分子发生电离与激发，在很短的时间内生成 离子，激发分子与次级电子，再生成反应能力极强的物质：
(纳秒级)向放电通道输入，形成电子雪崩，巨大的脉冲电 流使通道内形成高能密度，由此引起局部高温。 ? 在放电过程中，电子与中性气体分子和原子进行非弹性碰 撞，使这些中性分子的激发、分解和电离更为强烈，产生 高氧化活性物质(·OH 、H2O2等活性粒子)、紫外辐射、高 能电子轰击等，达到去除有机物的目的。
?缺点： ?介质阻挡放电较适合于降解低浓度的有 机废水，但能耗较高； ?需要研究有较高峰值电压，尽量短的电 压上升沿，以及更大的频率电源； ?反应器的电极结构还需进一步优化。
滑动弧放电
滑动弧放电产生一种周期性摆动的大气压下非平衡等离子体。 与辉光和电晕放电相比，滑动弧放电能够提供更高的能量，产 生更多种类的活性粒子。
宇宙中90％物质处于等离子体态
星
极
云
光
太
阳
闪
表
电
面
美国宇航局提供的照片-----南极上空的椭圆形极光
人造等离子体
? 等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、微电子、 半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺 织、通讯等领域有广泛的应用。
? 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生 器；
? 获得一定能量的电子与管内气体分子碰撞，使后者电离而 产生次级电子，电子再被电场加速又碰撞其它分子，如此 下去就产生连锁反应，最后达到维持放电正常进行。
?优点： ?对电源要求不高，普通的直流高压 电源即可； ?可在高电导率废水下运行； ?能量效率较高和没有电磁辐射。 ?缺点： ?电极较贵； ?电源以及反应器结构的优化设计需 要进一步研制。
核聚变装置中的等离子体
超 大 规 模 集 成 电 路
等离子体分类
等离子体
高温等离子体 如：聚变、太阳核心 （电子温度大于10000℃）
低温等离子体 （电子温度小于10000℃）
冷等离子体 如：极光、日光灯
热等离子体 如：电弧、碘钨灯
实验室常用的有热等离子体（由电弧、电火花或火焰产生）、 冷等离子体（由辉光放电产生）和混合等离子体（由电晕放电 或臭氧发生器产生）。
水处理等离子类型
? 电晕放电 ? 辉光放电 ? 介质阻挡放电 ? 滑动弧放电 ? 射频微波放电
电晕放电
将电压加载在曲率半径很小的电极上，当针状电极上的电 位升高到一定程度时，针尖附近的强电场就使其周围的空 气产生电离，从而产生的局部放电甚至晕光的现象称为电 晕放电。
高压脉冲放电
? 高压脉冲放电是研究最多的电晕放电形式。 ? 由高电压脉冲电源产生的极强电流在水中以极短的时间
H20─→·OH+eaq+·H+ H2O2+H3O +H2 并发生下列反e应，生成游离氧、臭氧和·O+H自由基：
O2─→2O─→2·OH
e
H2O
O2（+M）+O─→O3（+M）
臭氧氧化作用
? 臭氧在水中时发生氧化反应，其氧化途径可由臭氧直接氧 化某些有机物，也可由其分解产生的中间产物·OH自由基 氧化有机物。